隨著新一輪“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略全面啟動，西安、蘭州等西北城市再度“吸睛”。在碳纖維領(lǐng)域，蘭州藍星纖維有限公司（以下簡稱“蘭州藍星纖維”）這幾年也因在大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的不斷突破而備受關(guān)注。
近期，該公司又傳出了好消息。7月22日，中國紡織工業(yè)聯(lián)合會以線上視頻會議的形式，組織對蘭州藍星纖維“千噸級NaSCN法50K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”項目進行技術(shù)成果鑒定。
經(jīng)過專家委員會一致評定，該項目通過鑒定。鑒定委員會認為，該公司“大絲束碳纖維生產(chǎn)過程的整體技術(shù)已達到國際先進水平�！�
事實上，今年以來，有的企業(yè)宣布要擴大在大絲束領(lǐng)域的投資，有的企業(yè)宣布將新涉足大絲束，還有去年宣布新建的大絲束項目也有新推進。多種跡象都表明，大絲束正在成為我國碳纖維市場本輪蓬勃發(fā)展的新驅(qū)動力。
蘭州藍星攻克千噸級50K產(chǎn)業(yè)化技術(shù)
蘭州藍星纖維位于蘭州市西固區(qū)甘肅國際港園區(qū)，隸屬于中國化工集團有限公司旗下的中國藍星（集團）股份有限公司（以下簡稱“藍星集團”）。該公司采用NaSCN一步法工藝生產(chǎn)碳纖維原絲，具有流程短、能耗低、單線產(chǎn)能大等特點，是我國能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、工業(yè)化生產(chǎn)大絲束碳纖維的代表企業(yè)之一。
北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長、國家碳纖維工程技術(shù)研究中心主任徐樑華是行業(yè)的“明星人物”之一，他對于衡量我國碳纖維企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化水平，曾提出“千噸俱樂部”概念，意思是龍頭企業(yè)擁有的單線產(chǎn)能為千噸級的碳纖維生產(chǎn)線。由此來看，蘭州藍星纖維目前已成為具備千噸級規(guī)�；a(chǎn)NaSCN法50K大絲束碳纖維的企業(yè)，成為“千噸俱樂部”成員之一。
有耕耘才有收獲。事實上，蘭州藍星纖維在該領(lǐng)域已經(jīng)奮斗了10多年。時光退回11年前的2009年5月，那時，西北大地火熱的夏天還沒到來，2008年注冊成立的蘭州藍星纖維懷揣著對碳纖維的雄心壯志，在蘭州西固區(qū)開始了建廠基建。
那一時期的國產(chǎn)碳纖維行業(yè)，基本還處于產(chǎn)業(yè)化起步階段。自2004年開始，國外碳纖維的價格不斷上漲，我國從國外進口碳纖維，價格快速上漲到8000多元/公斤，此后又突破了1萬元/公斤。2005年，受臺海局勢等因素影響，我國進口碳纖維的渠道幾乎被中斷，國內(nèi)需要的碳纖維被國外斷供。這一時期，嚴峻的市場形勢讓碳纖維這一戰(zhàn)略性材料備受關(guān)注，也讓很多人更加深刻地理解了其作為“新材料之王”的價值內(nèi)涵。
或許正是由于當時的這種市場形勢，讓藍星集團下定決心在碳纖維領(lǐng)域大干一番。當時，國內(nèi)碳纖維行業(yè)正處于第一輪投資期，各類資本都躍躍欲試，藍星集團便成為其中的一分子。但是企業(yè)發(fā)展前景究竟如何，一切都還是未知數(shù)，畢竟大家都是“摸著石頭過河”。
從2003年到2013年這漫長的10年左右的時間里，國產(chǎn)碳纖維全行業(yè)整體為了解決“從無到有”的難題而苦苦拼搏。在這一階段，我國碳纖維行業(yè)剛剛邁出產(chǎn)業(yè)化步子，一路蹣跚著前進，而日本等國家的企業(yè)競爭對手開始逐漸采取“入門級T300產(chǎn)品大幅降價，高級別產(chǎn)品大幅漲價”的策略。內(nèi)憂外困、壓力重重，這一時期的國產(chǎn)碳纖維行業(yè)基本處于“全行業(yè)虧損狀態(tài)”。但當時，大家心里都憋著一口氣，咬著牙也得繼續(xù)往前走，蘭州藍星纖維也不例外。
2012年3年，蘭州藍星纖維年產(chǎn)1500噸碳纖維生產(chǎn)線帶料試車成功。2013年8月，其5000噸/年的碳纖維原絲生產(chǎn)線一次投料試車成功。2014年7月，經(jīng)北京化工大學(xué)檢測，蘭州藍星纖維生產(chǎn)的12K碳纖維達到國際上同類產(chǎn)品T700的質(zhì)量標準。2016年4月，其1500噸/年的碳化裝置實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)運行。2018年，藍星集團投資上億元，對蘭州藍星纖維原絲生產(chǎn)線進行技術(shù)改造，產(chǎn)品由原來的24K升級為50K。2019年下半年，其50K碳纖維生產(chǎn)線全線通過，產(chǎn)品依托自產(chǎn)原絲成本優(yōu)勢和北京碳纖維技術(shù)研究中心的研發(fā)優(yōu)勢，突破了我國大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)瓶頸。
在近期的鑒定會上，蘭州藍星纖維黨委書記、總經(jīng)理周寶慶介紹，公司目前已建成50K大絲束碳纖維千噸級生產(chǎn)線，其中，單線原絲年產(chǎn)能為4000噸，碳纖維年產(chǎn)能為1500噸。產(chǎn)品性能符合國標GQ3522水平，可以滿足碳纖維預(yù)浸料的制備要求，產(chǎn)品本征性能和應(yīng)用工藝性也與同類進口產(chǎn)品不相上下，填補了國內(nèi)50K碳纖維產(chǎn)品的市場空白。
從2009年5月到2020年，漫長的11年過去了，在西北這片廣闊的土地上，蘭州藍星纖維一步步結(jié)出了豐碩的果實。
另據(jù)了解，蘭州藍星纖維今年3月已與山東淄博市沂源縣簽約，接下來在沂源縣建設(shè)的二期項目將形成年產(chǎn)原絲5萬噸、碳絲25000噸的產(chǎn)業(yè)規(guī)模；7月，該公司還與上偉（江蘇）碳纖復(fù)合材料有限公司就碳纖維及其復(fù)合材料生產(chǎn)制造簽署《戰(zhàn)略合作協(xié)議》，接下來，雙方將在風(fēng)電、汽車等領(lǐng)域形成長期、全面合作。
“我們致力于緩解當下國內(nèi)大絲束碳纖維仍大量依賴進口的現(xiàn)狀�！敝軐殤c說。
大絲束的“魅力”很大但難點也挺多
大絲束是一種國際通用的碳纖維制造技術(shù)。
一名業(yè)內(nèi)人士向記者介紹：“低成本、大絲束碳纖維的應(yīng)用，是發(fā)展低成本碳纖維復(fù)合材料技術(shù)研究的關(guān)鍵。”
碳纖維指標中的1K、2K、3K、6K、12K等，是指碳纖維絲束中的單絲數(shù)量。按照絲束大小，碳纖維可以分為大絲束和小絲束兩種。一般而言，K數(shù)越大，涉及的生產(chǎn)制備和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)難度越大。
小絲束通常是指每束碳纖維中的單絲根數(shù)小于24000根，如1000（1K）、3000（3K）、12000（12K）等。大絲束通常指每束碳纖維中的單絲根數(shù)大于或等于48000根（48K），如5萬（50K）、6萬（60K）、12萬（120K）等。50K就表示一束碳纖維絲束中有5萬根單絲，屬于典型的大絲束。
大絲束有何突出特點？一是生產(chǎn)效率高。相比小絲束，大絲束碳纖維最大的優(yōu)勢，就是在相同的生產(chǎn)條件下能夠大幅度地提高碳纖維的單線產(chǎn)能，實現(xiàn)生產(chǎn)的低成本化。而且，在碳纖維復(fù)合材料制備過程中，其鋪層效率更高，生產(chǎn)成本能降低約30%以上。
“這有助于突破碳纖維因價格較高而產(chǎn)生的應(yīng)用局限，為碳纖維復(fù)合材料進一步拓展應(yīng)用市場奠定基礎(chǔ)�！币幻麡I(yè)內(nèi)人士說。
二是成本更低，性能高。國內(nèi)制備大絲束碳纖維，目前使用的是聚丙烯腈基碳纖維原絲。通常，原絲成本約占碳纖維制備總成本的50%~60%。因此，大絲束碳纖維產(chǎn)品的售價可以控制到小絲束的50%~60%。同時，目前市場上一些大絲束碳纖維產(chǎn)品的主要性能，已經(jīng)接近甚至超過了部分小絲束碳纖維。
江蘇澳盛復(fù)合材料科技有限公司技術(shù)總監(jiān)嚴兵介紹：“大絲束作為工業(yè)級碳纖維，核心驅(qū)動力在于低成本，因此在保證碳纖維質(zhì)量穩(wěn)定性前提下，如何有效控制成本極其重要。比如，卓爾泰克公司的大絲束碳纖維PAN-EX35的拉伸強度和拉伸模量，在性能上相當于日本東麗公司小絲束T700，價格卻相對較低。在我國市場上，東麗T700目前的售價約為20美元/公斤，而每公斤PAN-EX35的售價約為十五六美元�！�
廣州賽奧碳纖維技術(shù)有限公司總經(jīng)理林剛介紹：“我們將拉伸性能接近T700的產(chǎn)品稱為高性能。目前，全球多款高性能大絲束產(chǎn)品的性能都與T700相當。比如，日本三菱TRH50-60K的拉伸強度達到了4830MPa,拉伸模量達到了250GPa；德國西格里的一款產(chǎn)品，拉伸強度達到了4800MPa，拉伸模量達到了280GPa�！�
“用不了多久，在通用性能上，48K、50K等規(guī)格的大絲束碳纖維將可以做到基本能與T800相媲美。近幾年，民用小絲束產(chǎn)品的國際市場售價約為15美元/公斤~24美元/公斤，大絲束產(chǎn)品的售價約為13美元/公斤~14美元/公斤�！绷謩傔M一步預(yù)測，“隨著低成本創(chuàng)新技術(shù)不斷發(fā)展，大絲束產(chǎn)品的售價有望降至10美元/公斤~12美元/公斤。小絲束是傳統(tǒng)產(chǎn)品，大絲束則是新興產(chǎn)品。接下來，將是大小絲束之間如何對抗。從現(xiàn)實情況看，未來，大絲束將會逐步侵占小絲束的市場份額，即便是在航空航天這一小絲束傳統(tǒng)的強勢應(yīng)用領(lǐng)域，高性能大絲束也會逐漸打開應(yīng)用市場。甚至還會出現(xiàn)更具成本優(yōu)勢的‘巨絲束（大于100K）’加入大絲束的競爭�！�
然而，相比小絲束，在原絲、聚合、預(yù)氧化、碳化等多個系統(tǒng)環(huán)節(jié)，大絲束碳纖維的制備技術(shù)都更難。
在原絲環(huán)節(jié)，如果生產(chǎn)的是1K、3K的小絲束碳纖維，一個噴絲板上會有1000個、3000個孔，但如果生產(chǎn)的是48K大絲束碳纖維，一個噴絲板上會有48000個孔，這本身就具有一定的挑戰(zhàn)性。同時，CV值的穩(wěn)定性更難把握。以生產(chǎn)50K大絲束碳纖維為例，要求一個噴絲板上的5萬個孔里噴出來的每根絲的均勻度都一樣，相比小絲束碳纖維，其難度大了好幾倍。
碳化在碳纖維制備過程中至關(guān)重要，分為低溫碳化和高溫碳化。碳化過程伴隨著材料結(jié)構(gòu)變化，原絲經(jīng)預(yù)氧化后轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜔崽菪徒Y(jié)構(gòu)預(yù)氧化絲，經(jīng)低溫碳化和高溫碳化后，再轉(zhuǎn)化為具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。
上述業(yè)內(nèi)人士介紹：“大絲束碳纖維原絲生產(chǎn)出來后，在碳化環(huán)節(jié)也面臨不少挑戰(zhàn)。在碳化環(huán)節(jié)，非碳原子會逐步脫除，碳原子會富集再結(jié)晶，劇烈的化學(xué)反應(yīng)有可能會帶來新問題。比如，毛絲問題在原絲環(huán)節(jié)或許體現(xiàn)得并不明顯，但在碳化環(huán)節(jié)有可能就會凸顯出來�！�
林剛強調(diào)：“從12K到24K，所用的技術(shù)工藝路線基本一樣，但是從24K到48K，中間跨越了一個巨大的技術(shù)門檻。大絲束技術(shù)與小絲束的一個主要區(qū)別，在于其高通量。由于在單位時間里的通量高，使大絲束產(chǎn)品在聚合、紡絲、氧化、碳化等多個環(huán)節(jié)更容易出現(xiàn)問題，也帶來很多復(fù)雜的技術(shù)問題和工程問題�！�
“大絲束碳纖維的連續(xù)性能雖然比不上宇航級小絲束碳纖維，但是其技術(shù)壁壘也相當高，這在很大程度上導(dǎo)致了目前全球大絲束碳纖維的產(chǎn)量低于小絲束�！眹辣榻B，“除了制備技術(shù)要求高，在后續(xù)的應(yīng)用過程中，大絲束碳纖維由于纖維絲束較大、易于集聚，使展紗效果受到影響，進而容易造成樹脂對纖維的浸潤性較差、產(chǎn)生孔隙等缺陷。同時，在大絲束碳纖維展紗過程中，更容易出現(xiàn)亂紗和斷紗，導(dǎo)致纖維的力學(xué)性能分散性加大，這也進一步增加了大絲束碳纖維的應(yīng)用難度�！�
另據(jù)介紹，目前，國內(nèi)外開發(fā)出了大絲束碳纖維的“薄層化”技術(shù)。經(jīng)薄層化處理后，能使大絲束碳纖維的絲束厚度變薄，使纖維在預(yù)成型體中分布得更加均勻，降低了預(yù)成型體的滲透率，提高了均勻性。而且，經(jīng)薄層化處理后，使大絲束碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷減小，使纖維/樹脂分布得更加均勻。
大絲束漸成全球碳纖維市場競爭熱點
從全球大絲束碳纖維市場看，美國知名碳纖維企業(yè)卓爾泰克（ZOLTEK）目前仍占據(jù)絕對優(yōu)勢，但是該企業(yè)此前已被日本東麗公司收購。
事實上，這些年，全球知名企業(yè)一直在加碼大絲束。2014年2月，日本東麗以5.84億美元完成了對卓爾泰克的收購, 加強了其低成本、大絲束碳纖維的供應(yīng)能力。2018年4月，日本東麗又宣布，增加其美國子公司卓爾泰克的大絲束碳纖維產(chǎn)能，將卓爾泰克在匈牙利工廠的產(chǎn)能從此前的年產(chǎn)1萬噸提高到15000噸；此后，又宣布將卓爾泰克在墨西哥工廠的產(chǎn)能從年產(chǎn)5000噸提高到年產(chǎn)1萬噸。
2017年11月，索爾維（Solvay）公司完成對德國大絲束（50K）聚丙烯腈基碳纖維優(yōu)質(zhì)原絲生產(chǎn)企業(yè)歐洲碳纖維有限公司（European Carbon Fiber GmbH）的收購。2019年12月，索爾維又宣布，與德國碳纖維制造商SGL達成聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，致力于拓展大絲束（50K）、中模量碳纖維復(fù)合材料在民用航空市場的應(yīng)用。
風(fēng)電葉片市場需求大增拉動大絲束快速升溫。
在我國市場上，除了蘭州藍星纖維，當前，具備大絲束碳纖維生產(chǎn)能力的主要廠家還有吉林碳谷碳纖維股份有限公司、吉林精功碳纖維有限公司、上海石化等。尤其是近幾年，隨著風(fēng)電葉片用大絲束碳纖維需求的“跳躍式”放量，國內(nèi)大絲束碳纖維市場的需求快速升溫，也拉動了碳纖維制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的不斷突破，以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速擴張。
林剛介紹：“2019年我國碳纖維的總市場需求中，小絲束的容量約為18000噸，其中大陸企業(yè)產(chǎn)的約有7000噸；大絲束的市場容量約有14000噸，其中大陸企業(yè)產(chǎn)的約有1000噸，其余主要靠進口�！�
吉林碳谷是產(chǎn)業(yè)化“排頭兵”。2019年, 其“25K~50K聚丙烯腈基原絲及碳纖維關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”項目通過鑒定，項目總體技術(shù)達到國際先進水平。
該項目研發(fā)出大絲束碳纖維（25K~50K）產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)及關(guān)鍵裝備，研發(fā)出制備均質(zhì)結(jié)構(gòu)原絲的DMAC濕法“兩步法”紡絲技術(shù)，實現(xiàn)了單線5000噸級25K~50K原絲的穩(wěn)定生產(chǎn)；研發(fā)出預(yù)氧化過程大絲束纖維恒定張力控制技術(shù)，結(jié)合溫度智能控制及自動除焦工藝，實現(xiàn)了單線2000噸級25K~50K碳纖維穩(wěn)定生產(chǎn)。項目具有自主知識產(chǎn)權(quán)，整體形成年產(chǎn)16000噸大絲束原絲及年產(chǎn)4000噸大絲束碳纖維的產(chǎn)能。
記者了解到，自2019年以來，吉林碳谷的大絲束原絲市場需求快速增長，規(guī)模效應(yīng)逐步顯現(xiàn)。吉林碳谷最新發(fā)布的半年報顯示，今年上半年，盡管受到疫情影響，但是其主營業(yè)務(wù)收入?yún)s逆勢增長至2.13億元，同比大幅增長58.08%；實現(xiàn)凈利潤3403萬元，比去年同期增加3898萬元，同比增幅高達788.03%。
“上半年，公司主營收增長的主要原因是民用產(chǎn)品市場迅速開拓，橫向和縱向應(yīng)用領(lǐng)域都拓寬，碳纖維原絲銷售快速放大，且成本降低；贏利大幅增加的主要原因是，隨著產(chǎn)品完成定型，大絲束產(chǎn)品放量，主要產(chǎn)品毛利率穩(wěn)步上升�！奔痔脊仍诠嬷羞@樣表述。
另據(jù)了解，吉林碳谷目前正在建設(shè)年產(chǎn)4萬噸碳纖維原絲項目；吉林精功正在擴建大絲束碳纖維產(chǎn)能。
今年3月，上海石化也宣布，擬投資35億元，建設(shè)2.4萬噸/年碳纖維原絲、1.2萬噸/年的48K大絲束碳纖維項目。項目將采用自主開發(fā)的技術(shù)，建設(shè)2個系列原絲生產(chǎn)線，單系列設(shè)計產(chǎn)能為1.2萬噸/年；將建設(shè)6條碳纖維生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線的產(chǎn)能為2000噸/年。
“隨著應(yīng)用不斷深入，大絲束產(chǎn)品開始出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。公司新建項目，是為了滿足國內(nèi)市場對大絲束碳纖維及復(fù)合材料的需求，并促進公司碳纖維技術(shù)進步。接下來，公司將通過降低成本費用、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品獲利能力。”上海石化在公告中這樣表述。
光威復(fù)材2019年7月宣布將在包頭分3期新建的“萬噸級碳纖維產(chǎn)業(yè)化項目”目前也有了最新推進。今年7月24日，光威復(fù)材發(fā)布公告宣布，子公司內(nèi)蒙古光威碳纖有限公司以11256.01萬元拍得內(nèi)蒙古包頭九原工業(yè)園區(qū)一地塊使用權(quán)，宗地面積約為42萬平方米。
對于大絲束市場的這種火熱，林剛分析指出：“企業(yè)選擇大絲束品種，一個重要的目標，就是要追求更低成本和大規(guī)模化的工業(yè)應(yīng)用。過去十幾年來，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展基本還是在跟隨日本企業(yè)的技術(shù)路線，在小絲束制備上已取得了很大成就。但對于大絲束制備，從系統(tǒng)技術(shù)層面看，我國當前在大量裝備和工程化方面仍相對缺乏經(jīng)驗�？傮w看，目前，國內(nèi)外市場對大絲束的需求很旺盛，所以接下來，我國應(yīng)該奮力發(fā)展大絲束碳纖維制備系統(tǒng)技術(shù)。還要注意的是，產(chǎn)業(yè)整體的降本增效非常關(guān)鍵，其中就包括要發(fā)展低成本大絲束和低成本高性能大絲束。當然，低成本技術(shù)其實是一項系統(tǒng)工程，大絲束只是其中的一個選項,從整體上看，提速（高速）和提束（絲束）都很關(guān)鍵�！�
“從技術(shù)上看，國內(nèi)大絲束碳纖維廠商當前已具備競爭優(yōu)勢，接下來，大家在成本控制上還要再下功夫。因為當國產(chǎn)大絲束碳纖維直面國外產(chǎn)品競爭時，在性能達標的情況下，主要還是靠成本驅(qū)動。”嚴兵說。
